نظرًا لأن موجة الذكاء الاصطناعي تؤدي إلى زيادة الطلب على الكهرباء في مراكز البيانات، فقد طور فريق بحثي في جامعة إلينوي في أوربانا شامبين تقنية جديدة لألواح التبريد النحاسية النقية المطبوعة ثلاثية الأبعاد، والتي من المتوقع أن تقلل بشكل كبير من استهلاك الطاقة لمراكز البيانات للتبريد من حوالي 30% من إجمالي استهلاك الطاقة الحالي إلى حوالي 1.1%. ويقدر الباحثون أنه إذا تم تطبيق هذه التكنولوجيا بالكامل في مراكز البيانات واسعة النطاق، فمن المتوقع أن ينخفض إجمالي استهلاك الطاقة المرتبطة بالتبريد بأكثر من 90%، مما يقترب من حد الكفاءة الذي يمكن أن تحققه الهندسة الحرارية الحالية.
وفقا لوكالة الطاقة الدولية، سيصل استهلاك الكهرباء في مراكز البيانات العالمية إلى 485 تيراواط ساعة في عام 2025، منها ما يقرب من 30٪ - وهي قيمة تتجاوز بالفعل استهلاك الكهرباء السنوي في السويد - تستخدم لتبريد المرافق نفسها. وفي الوقت نفسه، أدى التطور السريع للذكاء الاصطناعي التوليدي إلى قيام الصناعة بالتفكير في بناء مراكز بيانات في الفضاء للحصول على المزيد من إمدادات الطاقة الشمسية المباشرة. والأمر الأكثر إثارة للسخرية هو أن حوالي ثلث هذه النفقات الضخمة من الطاقة لا علاقة لها بالحوسبة نفسها، ولكنها تستخدم "لإبعاد" الطاقة الكهربائية التي يتم تحويلها إلى حرارة بواسطة الرقائق.
إذا أخذنا شريحة GB200 من Nvidia كمثال، يصل استهلاك الطاقة لشريحة واحدة إلى 1200 واط، ويبلغ استهلاك الطاقة اليومي حوالي 28.8 كيلووات/ساعة، وهو قريب من متوسط استهلاك الطاقة اليومي لأسرة أمريكية متوسطة. نظرًا لتأثير تسخين الجول الحتمي، يتم تحويل هذه الـ 1200 واط بالتساوي تقريبًا إلى طاقة تسخين، وهو ما يكفي نظريًا لتسخين أكثر من 50 كوبًا من الماء في ساعة واحدة فقط. إذا تم تكديس الآلاف، أو حتى مئات الآلاف، من هذه الرقائق بكثافة في الرفوف كما هي الآن، دون أي تدخل للتبريد، فإن 220 ألف وحدة معالجة رسوميات و300 ميجاوات من الطاقة في مركز بيانات Colossus 1 التابع لشركة xAI وحدها تكفي لتسخين حوالي 785000 قدم مربع من المساحة إلى حوالي 1200 درجة مئوية في ساعة واحدة، وهي أكثر سخونة من الصهارة. ويمكن ملاحظة أن التبريد أصبح رابطًا لا مفر منه وحتى حياة أو موت في تشغيل مراكز البيانات.
وأشار بهنود بازمي، المؤلف الأول للورقة البحثية والمهندس الميكانيكي، إلى أن "التبريد هو عنق الزجاجة في تصميم الرقائق الحالي. ومن خلال سد الفجوة بين تصميم الحوسبة وقدرات التصنيع، يوفر حلنا مسارًا جديدًا للتبريد السائل للرقائق الأكثر كفاءة في استخدام الطاقة والمعدات الإلكترونية المختلفة." لفترة طويلة، اعتمدت مراكز البيانات بشكل أساسي على تبريد الهواء: تركيب المشتتات الحرارية المعدنية على وحدات المعالجة المركزية ووحدات معالجة الرسومات، وتوسيع منطقة التبادل الحراري من خلال زعانف رفيعة، وتكميلها بالحمل القسري بواسطة مراوح عالية الطاقة. من أجل تشغيل نظام ضخم للتعامل مع الهواء، تستهلك هذه الطريقة نفسها الكثير من الطاقة، وفي مواجهة كثافة التدفق الحراري المتزايدة بشكل حاد للجيل الجديد من رقائق تسريع الذكاء الاصطناعي، أصبح تبريد الهواء التقليدي غير مناسب على نحو متزايد.
لذلك، تعمل الصناعة على تسريع التحول إلى حلول التبريد السائل المباشر للرقاقة، أي تركيب "لوحة باردة" معدنية فوق المعالج، وتوجيه تدفق المبرد من خلال قنواته الداخلية الصغيرة، وتبديد حرارة الرقاقة بسرعة. لقد تم استخدام ألواح التبريد التقليدية المتوفرة في السوق منذ فترة طويلة، ولكن تصميم زعانفها الداخلية وقنوات التدفق يعطي الأولوية بشكل عام لسهولة المعالجة. تكون الأشكال الهندسية في الغالب مستطيلة أو أسطوانية، والمواد في الغالب مصنوعة من سبائك الألومنيوم أو الفولاذ المقاوم للصدأ. من الصعب تحقيق التوازن بين الأداء النهائي للتبادل الحراري والتحكم في مقاومة التدفق.
يتركز ابتكار فريق جامعة إلينوي في جانبين رئيسيين هما هيكل المادة والزعانف. استخدم الباحثون أساليب تحسين الطوبولوجيا وقدموا خوارزميات التحسين الرياضي لإعادة تصميم البنية المجهرية الداخلية للوحة الباردة، وتطورت من العمود المربع التقليدي والهندسة الأسطوانية إلى شكل ثلاثي الأبعاد أكثر تعقيدًا وخشنة وحادة لزيادة مساحة نقل الحرارة والأداء الحراري مع الأخذ في الاعتبار مقاومة قناة التدفق. نظرًا لأن هذه الهياكل المعقدة للغاية يكاد يكون من المستحيل معالجتها اقتصاديًا من خلال العمليات التقليدية، فقد تحول الفريق إلى التصنيع الإضافي الكهروكيميائي المتقدم (ECAM) لتوليد الشكل المطلوب مباشرة بطريقة طبقة تلو الأخرى. فيما يتعلق باختيار المواد، استخدموا بجرأة النحاس النقي، الذي يتمتع بموصلية حرارية ممتازة ولكن من الصعب للغاية تشكيله بدقة في الطباعة ثلاثية الأبعاد التقليدية.
وفقًا للمهندس الميكانيكي نيناد ميليكوفيتش، المؤلف المقابل للورقة البحثية، يمكن لتقنية ECAM معالجة النحاس النقي إلى ميزات دقيقة تصل إلى 30 إلى 50 ميكرون، وهو أصغر حتى من قطر شعرة الإنسان. تظهر النتائج التجريبية أنه بالمقارنة مع ألواح التبريد التقليدية التجارية، فإن هذه اللوحة الباردة المحسنة طوبولوجيا والمصنوعة من النحاس النقي يمكنها تحسين أداء التبريد بنسبة تصل إلى حوالي 32% في ظل ظروف التبريد السائل، مع تقليل انخفاض ضغط النظام بنسبة تصل إلى 68%. ويعني الانخفاض في انخفاض الضغط أن طاقة المضخة المطلوبة لتعزيز دوران سائل التبريد لكل وحدة زمنية تقل بشكل كبير. ويحقق الجمع بين الاثنين توفيرًا كبيرًا في استهلاك الطاقة بشكل عام.
أجرى فريق البحث كذلك تحليل النمذجة من المستوى العام لمركز البيانات. في السيناريو الحالي حيث لا يزال تبريد الهواء هو السائد، قد يحتاج مركز البيانات الذي تبلغ طاقته المركبة 1 جيجاوات إلى ما يقرب من 550 ميجاوات من الطاقة الإضافية لتبريد البنية التحتية وحدها. وبعد اعتماد حل التبريد السائل الأمثل الذي اقترحوه، من المتوقع أن ينخفض استهلاك طاقة التبريد للمنشأة ذات الحجم نفسه إلى حوالي 11 ميجاوات. بمعنى آخر، مع الحفاظ على التبديد الفعال للحرارة الشديدة الناتجة عن أجهزة الذكاء الاصطناعي واسعة النطاق، من المتوقع أن يتم ضغط استهلاك الطاقة للتبريد من التيار حوالي 30% إلى 35% إلى حوالي 1.1%، وهو انخفاض إجمالي يزيد عن 95%.
إذا كان من الممكن إعادة إنتاج هذه التنبؤات النموذجية في عمليات نشر حقيقية ذات نطاق واسع، فسيكون التأثير على كفاءة الطاقة في مركز البيانات ثوريًا. وفقًا لتقدير فريق البحث، يمكن لهذا النظام أن يساعد مركز البيانات على تحقيق كفاءة استخدام الطاقة (PUE) بحوالي 1.011، مما يعني أن كل واط تقريبًا من مدخلات الطاقة من شبكة الطاقة يتم استخدامه مباشرة للحوسبة، بدلاً من استهلاكه في وسائل مساعدة مثل التبريد أو خسائر النقل والتوزيع أو الإضاءة. للمقارنة، فإن معظم وحدات PUE لمراكز البيانات واسعة النطاق الأكثر تقدمًا في العالم تتراوح بين 1.1 و1.3، في حين أن مركز البيانات "المثالي" النظري PUE هو 1.0، أي أنه لا يتم إهدار الطاقة على التبريد ودعم البنية التحتية.
وبطبيعة الحال، اعترف فريق البحث أيضًا بأن الأرقام الحالية لاستهلاك الطاقة لمركز البيانات بأكمله لا تزال في مرحلة الاستنباط النموذجي ولا تعتمد على نتائج القياس في الموقع لمراكز البيانات الحقيقية على مستوى جيجاوات. ومع ذلك، إذا تمكنت التكنولوجيا من الحفاظ على الأداء في عمليات النشر واسعة النطاق كما هو متوقع، فإن لديها القدرة على تقليل أحد أكبر استهلاك الطاقة الخفية التي تم التغاضي عنها وراء طفرة الذكاء الاصطناعي الحالية - تبريد مركز البيانات. ويعتقد الباحثون أن فكرة الجمع بين تحسين التصميم وعمليات التصنيع المتقدمة لا تقتصر على مراكز البيانات، بل يمكن توسيعها أيضًا لتشمل نطاقًا أوسع من المعدات الإلكترونية وحتى المجالات الهندسية الأخرى التي تتطلب إدارة حرارية فعالة.